Bretonne d'origine, Béatrice Cabarrou, de son vrai nom, voit le jour le 19 décembre 1964 à Brest. Fille d'un ancien militaire, Béatrice et sa soeur aînée Marie-France passent une enfance heureuse au Mans. Mais à l'adolescence, la jeune fille, un brin rebelle, fugue parfois pour rejoindre Paris. Elle adhère au mouvement punk et sa beauté animale ne passe pas inaperçue. Elle a 19 ans lorsqu'un photographe la repère sur les Champs-Elysées et lui propose de poser pour lui. Dominique Besnehard la découvre à la une du magazine Photo et lui propose de rencontrer le réalisateur Jean-Jacques Beineix qui cherche une inconnue pour son prochain long-métrage. En 1985, elle tourne son premier film, 37°2 le matin, aux côtés de Jean-Hugues Anglade. Le succès fulgurant du film la propulse sur le devant de la scène à seulement 21 ans. Elle reçoit une nomination au César de la meilleure actrice.
La jeune femme, qui reçoit dès lors de nombreux scénarios, joue d'abord de son sex appeal au générique de La Sorcière et Les bois noirs. Actrice instinctive, elle choisit par la suite ses rôles en fonction de la personnalité du réalisateur et s'oriente vers le cinéma d'auteur. En 1989, elle tourne sous la direction de Jacques Doillon La vengeance d'une femme. Dans la décennie 90, elle collabore avec Jim Jarmusch (Une nuit sur terre), Bernard Murat (Désiré), ou encore Claire Denis (J'ai pas sommeil). Pour le tournage de La fille de l'air, elle apprend à piloter un hélicoptère. En 1997, elle s'envole pour les Etats-Unis pour tourner avec Abel Ferrara dans The Blackout, ou au Japon pour le film H-story de Suwa Nibuhiro au début des années 2000.
L'actrice varie les registres et se confronte à des rôles plus sombres; Trouble every day pour lequel elle retrouve la réalisatrice Claire Denis, Dix-sept fois Cécile Cassard, premier film de l'écrivain Christophe Honoré (2002), A l'intérieur film d'horreur de Julien Maury et Alexandre Bustillo. En 2004, elle joue dans Tête d'or, une adaptation d'un poème de Paul Claudel, sous la direction de Gilles Blanchard. Le tournage se déroule dans l'enceinte de la prison de Ploemeur, dans le Morbihan, où Béatrice Dalle donne la réplique à un détenu, Guenaël Meziani. Mais le film, qui sort à la fin de l'année 2007, est un échec commercial.
En 2012, elle retrouve un rôle sulfureux dans Bye Bye blondie de Virginie Despentes et partage l'affiche avec Emmanuelle Béart. En 2014, l'actrice fait ses débuts sur les planches à l'affiche de la pièce Lucrèce Borgia, mise en scène par David Bobée. En 2015, Béatrice Dalle fait également une incursion sur le petit écran avec la série Malaterra, diffusée sur France 2, aux côtés de Simon Abkarian et Nicolas Duvauchelle.
Côté vie privée, Béatrice Dalle a été mariée au peintre Jean-François Dalle dont elle a gardé le patronyme (1985–1988). Elle partage ensuite la vie du rappeur Joey Starr pendant une dizaine d'années. Sur le tournage de Tête d'Or elle rencontre un détenu, Guenaël Meziani, qu'elle épouse en prison le 3 janvier 2005. En 2013, elle entame une procédure de divorce. En mars 2020, Béatrice Dalle annonce dans une interview au journal Le Monde qu'elle va se marier. En septembre 2020, lors du festival du film francophone d'Angoulême, l'actrice pose au côté de son fiancé, Paul Bichet-Galaup.